Lương thực so với năng lượng: Liệu canh tác nông nghiệp có thể giải quyết được cả hai cuộc khủng hoảng?
Trong một thế giới tài nguyên ngày càng giảm và nhu cầu ngày càng cao, đất đai ngày càng có giá trị cao hơn đối với sản xuất năng lượng và lương thực. Câu trả lời có thể đơn giản như kết hợp cả hai?
Một kết quả của vụ lôi kéo, bịa đặt đó là việc lãnh đạo Đảng Bảo thủ của Vương quốc Anh bị loại vào mùa hè này là khoảng trống lãnh đạo hoàn toàn ở cấp cao nhất của chính phủ trong hai tháng. Trong khi phần còn lại của châu Âu cắt giảm nguồn cung cấp khí đốt cho mùa đông ảm đạm sắp tới, thì Vương quốc Anh vẫn ngồi trên bàn tay của mình. Kết quả là đất nước chỉ có 9 terawatt-giờ (TWh) khí được lưu trữ - so với 217TWh ở Đức, 122TWh ở Pháp và 162TWh ở Ý - đang rơi vào cuộc khủng hoảng năng lượng tồi tệ nhất kể từ những năm 1970.
Những con cừu gặm cỏ trên cây mù tạt tại một trang trại năng lượng mặt trời ở Geldermalsen, Hà Lan. (Ảnh của Mischa Keijser qua Getty Images)
Trong cuộc thi lãnh đạo Tory, một nguồn đồng thuận kỳ lạ giữa các đối thủ Rishi Sunak và Liz Truss là sự chán ghét chung đối với các tấm pin mặt trời - đặc biệt là những tấm pin được trồng trên đất nông nghiệp của Anh. Truss nói với các đảng viên ở Darlington: “Tôi là người muốn thấy những người nông dân sản xuất lương thực… không lấp đầy các cánh đồng bằng các vật dụng như trang trại năng lượng mặt trời”. Trong khi đó, Sunak hứa với độc giả Telegraph rằng, dưới sự lãnh đạo của ông, nước Anh sẽ “không để mất những vùng đất nông nghiệp tốt nhất của chúng tôi vào tay các trang trại năng lượng mặt trời” và ông cam kết “đảm bảo các cánh đồng của chúng tôi được sử dụng để sản xuất lương thực chứ không phải các tấm pin mặt trời”.
Tuy nhiên, nếu một trong hai đội ngũ các nhà nghiên cứu của ứng cử viên đã nhập “năng lượng mặt trời” và “nông nghiệp” vào Google, họ sẽ tìm ra một giải pháp hữu ích có thể chống lại cuộc khủng hoảng lương thực và năng lượng đồng thời: canh tác nông nghiệp.
Các cuộc khủng hoảng hội tụ
Nền kinh tế toàn cầu tiếp tục hứng chịu hàng loạt cú sốc gây bất ổn. Hai năm cộng thêm của đại dịch Covid-19 và cuộc khủng hoảng tiếp theo ở Ukraine, với những ảnh hưởng toàn cầu đến thị trường hàng hóa, chuỗi cung ứng và lạm phát, đã dẫn đến giá thực phẩm và năng lượng tăng vọt. Cùng với những tác động tàn phá của biến đổi khí hậu và kết quả là sản lượng thu hoạch sắp tới giảm dần, tất cả những điều này có nghĩa là tình trạng mất an ninh lương thực và năng lượng đang gia tăng nhanh chóng trên khắp thế giới.
“[Nhưng] với sự đầu tư đúng đắn, đổi mới và hợp tác mạnh mẽ, hệ thống nông sản có thể trở thành một trong những giải pháp hy vọng nhất trên thế giới đối với biến đổi khí hậu, cũng như giảm nghèo và cung cấp nguồn dinh dưỡng cho tất cả mọi người,” Sean de Cleene, người đứng đầu ngành Thực phẩm cho biết Sáng kiến Hệ thống tại Diễn đàn Kinh tế Thế giới (WEF).
Theo de Cleene, có một số công nghệ nông nghiệp - bao gồm các tiến bộ kỹ thuật số và dữ liệu, các giải pháp năng lượng tái tạo không nối lưới và các protein thay thế - khi được mở rộng quy mô, có thể “hỗ trợ một tương lai thực phẩm tích cực hơn và cải thiện hiệu quả của hệ thống thực phẩm, đặc biệt là trong thời gian của khủng hoảng ”. Ví dụ, WEF ước tính nông nghiệp chính xác có thể giảm sử dụng nước hơn 5% và sản xuất năng lượng tái tạo không nối lưới có thể tạo ra thu nhập bổ sung cho nông dân lên tới 100 tỷ USD vào năm 2030.
Tuy nhiên, theo báo cáo cuối cùng của Ủy ban thâm canh nông nghiệp bền vững, có khoảng thiếu hụt tài chính ước tính 15,2 tỷ đô la Mỹ cho việc đổi mới hệ thống lương thực. Điều này đã tập hợp các nhà khoa học, nhà hoạch định chính sách và chuyên gia của Global South để giải quyết các thách thức của hệ thống nông sản toàn cầu. De Cleene nói: “Đầu tư vào và tài trợ [triển khai] công nghệ nông sản sẽ hỗ trợ quy mô và việc áp dụng các đổi mới phù hợp và thúc đẩy tiến bộ trong hệ thống thực phẩm.
Canh tác nông điện là một "đôi bên cùng có lợi"
Một giải pháp công nghệ nông nghiệp, canh tác nông nghiệp, có thể mang lại lợi ích to lớn cho ngành năng lượng và thực phẩm. Về cơ bản, canh tác nông nghiệp tích hợp các dự án quang điện mặt trời (PV) trong một hoạt động nông nghiệp để cùng một diện tích đất có thể được sử dụng cho cả hai. Kết hợp năng lượng tái tạo và nông nghiệp có tiềm năng đáng kể để giảm phát thải khí nhà kính toàn cầu, bảo vệ đa dạng sinh học, giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch nhập khẩu cũng như cải thiện năng suất canh tác.
Jordan Macknick, nhà phân tích hàng đầu về năng lượng nước - đất tại Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo Quốc gia Hoa Kỳ cho biết: “Đặc điểm nổi bật của điện nông là sự chia sẻ ánh sáng mặt trời giữa hai hệ thống chuyển đổi năng lượng: quang điện và quang hợp. “Về cơ bản, nó bắt chước những gì con người đã làm trong hàng trăm năm với nông lâm kết hợp - nghĩ rằng cà phê trồng trong bóng râm - cố ý tạo bóng râm một phần để tạo ra nhiều lớp năng suất nông nghiệp trên cùng một mảnh đất.”
Che nắng mặt trời có thể bảo vệ cây trồng khỏi các tác động bất lợi của thời tiết và giảm sự thoát hơi nước, giữ ẩm cho đất. Điều này có thể ngăn chặn quá trình sa mạc hóa hoặc giúp tái định cư vùng đất bị sa mạc hóa. Theo hiệp hội thương mại SolarPower Europe, tấm chắn nắng có thể tiết kiệm 14–29% lượng nước tùy thuộc vào mức độ che nắng. Cách tiếp cận này có thể cung cấp một nỗ lực rất cần thiết cho việc sản xuất lương thực trong một tương lai hạn hán kéo dài và khắc nghiệt hơn.
“Chúng tôi không phải 'đấu tranh giành đất' nữa và chúng tôi có thể tăng nguồn năng lượng tái tạo
Kristian Ruby, tổng thư ký của hiệp hội thương mại điện châu Âu Eurelectric cho biết.
Có nhiều loại năng lượng nông nghiệp khác nhau, bao gồm tấm PV gắn trên mặt đất, tấm PV trên cao và nhà kính năng lượng mặt trời, kết hợp với các loại cây trồng khác nhau. Cách tiếp cận tốt nhất phụ thuộc vào khí hậu của khu vực và mô hình sử dụng đất.
Ví dụ, các tấm PV nâng cao có thể được ghép với các loại cây trồng và thu hoạch lớn hơn như cây ăn quả hoặc vườn nho. Mặt khác, các mảng PV quy mô lớn gắn trên mặt đất có thể phù hợp với các loại cây trồng và vật nuôi có chiều cao thấp. Các tấm có thể tăng cường phúc lợi động vật bằng cách dễ dàng tiếp cận bóng râm đồng thời tạo điều kiện trồng các thảm thực vật lâu dài giữa và bên dưới chúng để chăn thả.
Agrivoltaics cũng mang đến cơ hội cố ý cung cấp nhiều loại dịch vụ hệ sinh thái như tạo môi trường sống, hỗ trợ các loài côn trùng có ích như ong, phục hồi thảm thực vật tự nhiên và trồng cây che phủ vì lợi ích sức khỏe của đất và hấp thụ carbon.
Macknick cho biết: “Vì điện nông liên quan đến việc che phủ mặt đất một cách chiến lược, nên nó thường có ý nghĩa nhất ở những khu vực nơi bạn thừa ánh sáng mặt trời và không đủ nước - ví dụ như ở Tây Nam Hoa Kỳ,” Macknick nói. “Chúng tôi đặc biệt nhận thấy những cải tiến trong môi trường nông nghiệp đối với ớt và cà chua ở Tây Nam Hoa Kỳ và đối với các loại rau xanh có lá ở khắp mọi nơi.”
(Hình ảnh của NREL)
Có một số dự án nông nghiệp rải rác trên khắp Hoa Kỳ. Tại Rockport, Maine, các nhà nghiên cứu của Đại học Maine đang nghiên cứu tác động của các tấm pin mặt trời được lắp đặt trên 11 mẫu đất trồng việt quất. Tại Grafton, Massachusetts, những người nông dân đang làm việc với các viện sĩ của Đại học Massachusetts để tìm ra loại cây trồng nào hoạt động tốt nhất dưới bóng râm của các tấm pin mặt trời. Tại Longmont, Colorado, Jack's Solar Garden đã tự khẳng định mình là địa điểm hoạt động thương mại lớn nhất của đất nước về nghiên cứu điện năng và các nhà nghiên cứu tại Đại học bang Oregon đang thử nghiệm trồng cây giữa các tấm pin mặt trời quy mô tiện ích truyền thống không được nâng cao.
Ở Châu Âu, một trong những ví dụ hàng đầu của phương pháp này là một dự án demo điện quang nông được thiết kế bởi công ty tiện ích Enel Green Power của Ý. Enel đã xác định các loại đất khác nhau để trồng trọt và chăn nuôi trên khắp Ý, Hy Lạp và Tây Ban Nha có thể cùng tồn tại với các nhà máy điện mặt trời mà không cần phải sửa đổi đáng kể cách bố trí nhà máy - do đó tiết kiệm chi phí và tăng khả năng cạnh tranh. Chín cơ sở lắp đặt PV đã được xây dựng ở các vùng khí hậu khác nhau cùng với một mạng lưới các cảm biến từ xa và gần đó. Thử nghiệm đang được tiến hành là đánh giá tác động của các hoạt động nông nghiệp khác nhau với nhiều loại công nghệ năng lượng mặt trời (cố định và theo dõi, định hướng về phía mặt trời), các tấm pin (một mặt và hai mặt) và bố cục. Các loại cây trồng bao gồm các loại thảo mộc thơm, dược liệu và y học, cây thực phẩm như rau và cây xung, cây mỹ phẩm như lô hội, cây thức ăn gia súc và cây có hoa để thu hút các loài thụ phấn.
Ruby nói: “Dữ liệu thu thập được từ các công trình thử nghiệm này sẽ giúp rất nhiều cho các dự án tích hợp trong tương lai cải thiện khả năng cạnh tranh của nông nghiệp địa phương bằng cách hiện đại hóa và tích hợp nó với công nghệ năng lượng mặt trời, để chúng tôi có thể cải thiện khả năng phục hồi nông nghiệp địa phương trong khi khử cacbon bằng cách tăng công suất năng lượng tái tạo.
Theo một nghiên cứu gần đây của Đại học Hohenheim (Stuttgart) và Viện Thünen (Braunschweig), tại Đức, việc lắp đặt máy điện nông trên 10% trang trại có điều kiện đặc biệt có lợi có thể cung cấp khoảng 9% nhu cầu điện của cả nước. Điều đó sẽ chỉ chiếm 0,7% diện tích đất canh tác của Đức - khoảng 85.000 ha.
Vẫn còn sơ khai
Tuy nhiên, con đường phía trước của ngành nông nghiệp không phải là không có những trở ngại. Nhiều dự án đầy hứa hẹn vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm; thách thức chính sẽ là đưa ra một mô hình quản lý tổng hợp tối ưu cho các hoạt động canh tác và vận hành và bảo trì nhà máy PV, có thể dễ dàng tái tạo và mở rộng quy mô.
Các biện pháp khuyến khích công cộng sẽ được yêu cầu để thu hút sự quan tâm thương mại và mở rộng quy mô lĩnh vực này. Ruby cho biết thêm: “[Và] không cần phải nói rằng phải cho phép nhanh hơn để cho phép thực hiện nông điện.
Đối với Macknick, một trong những rào cản lớn là chi phí, vì việc nâng cấp các tấm PV ngày càng đắt đỏ do giá thép và nhân công lắp đặt ngày càng tăng.
Vấn đề lớn thứ hai mà ông nhận thấy là tính tương thích của hệ thống nông điện với các phương thức canh tác hiện có. Nông nghiệp sẽ chỉ thành công nếu người nông dân vừa có động lực (thường là về tài chính) vừa có khả năng thực tế để trồng trọt trên mảnh đất mà không gặp phải những bất tiện lớn. Hầu hết các hệ thống lắp đặt năng lượng mặt trời ngày nay không được thiết kế để thân thiện với nông dân, và Macknick chỉ ra rằng ngay cả nhiều hệ thống lắp đặt năng lượng mặt trời hiện có cũng không kết hợp nhiều khía cạnh thân thiện với nông dân như những người nông dân mong muốn.
“Thu hút nông dân tham gia nhiều hơn vào giai đoạn thiết kế nông điện và
Việc chúng đóng góp vào các sửa đổi có thể thực sự hữu ích để vượt qua rào cản đó, ”ông nói.
Cần thiết cho số không thuần
Theo Macknick, bằng cách cho phép phát triển rộng rãi hơn nữa năng lượng mặt trời, năng lượng điện nông nghiệp sẽ đóng “một vai trò thiết yếu trong quá trình chuyển đổi net-zero”. Chúng cho phép phát triển năng lượng mặt trời ở những khu vực mà nếu không sẽ có sự cản trở đối với phát triển năng lượng tái tạo, chẳng hạn như các cộng đồng nông thôn của Anh Truss và Sunak đã cố gắng ra tòa với các cuộc tấn công thiển cận vào các trang trại năng lượng mặt trời. Nông nghiệp thực sự mang lại cơ hội hỗ trợ cả nông nghiệp và năng lượng trên cùng một mảnh đất, mang lại lợi ích cho nhiều bên liên quan cùng một lúc.
(Hình ảnh của NREL)
Các loại điện nông khác nhau có thể sẽ kết hợp với các hốc cụ thể. Theo Macknick, các dự án có môi trường sống thụ phấn và chăn thả cừu sẽ phù hợp hơn với các hệ thống lắp đặt lớn hơn 300MW, trong khi các công trình nông điện trong sản xuất cây trồng sẽ được áp dụng tốt nhất cho các hệ thống lắp đặt không lớn hơn 5MW, “trừ khi có những đổi mới trong cách sản xuất cây trồng bằng phương pháp nông điện Macknick nói. Tuy nhiên, ông dự đoán những địa điểm sản xuất cây trồng này ngày càng trở nên quan trọng gần các trung tâm đô thị, nơi sản phẩm có thể dễ dàng thâm nhập vào các thị trường phân phối thực phẩm cao cấp như chợ nông sản, nhà hàng và các chương trình nông nghiệp do cộng đồng hỗ trợ.
Trong ngắn hạn, tương lai có vẻ tươi sáng cho canh tác nông nghiệp. Theo SolarPower Europe, nếu agrisolar chỉ được triển khai trên 1% diện tích đất canh tác của Châu Âu, công suất kỹ thuật của nó sẽ lên tới hơn 900GW, gấp hơn sáu lần công suất PV được lắp đặt hiện tại ở toàn EU. Ruby nói: “Có một cơ hội lớn ở đây và thị trường đang thực sự bắt đầu phát triển.
